钠离子电池Nasicon型固体电解质材料的制备研究

发布时间：2020-11-10 21:20

　　 目前常用的锂离子电池大都采用液态有机电解质,这种含有液态电解液的电池容易出现爆炸等安全问题。所以,研究新型安全的电池非常重要,全固态电池使用固体电解质取代有机液态电解质,在使用过程中,能够完全避免液态电解质的漏液,爆炸等问题。全固态电池不但能满足电子产品日益多样化的需求,也能够生产微型化,多形状的电池,有望取代锂离子电池成为下一代储能电池。目前在钠离子固态电解质所有类型中,Nasicon型电解质中的Na_3Zr_2Si_2PO_(12)因其离子电导率高及高分解电压,化学性质稳定等特点成为最具有发展前景的钠离子无机固体电解质。但是室温下Na_3Zr_2Si_2PO_(12)离子电导率为10~(-4),应用在全固态电池上还不能满足电池的要求,且该类型电解质的制备温度较高,不易制备出纯相等问题还限制该类型电解质的应用,本论文通过对固体电解质Na_3Zr_2Si_2PO_(12)的Zr位掺杂Al、Mg元素,另外采用低熔点添加剂制备固体电解质,以降低电解质的烧结温度,提高离子电导率和烧结性能。(1)单掺杂中,使用Al~(3+)掺杂制备的电解质,能够降低材料中ZrO_2,Na_3PO_4杂质的含量。其致密度和离子电导率都比不掺杂的电解质材料更好,最优电解质材料的致密度为91.97%,室温下离子电导率能够达到1.19×10~(-3) S·cm~(-1)。在使用Mg~(2+)作为掺杂剂时,电解质材料中的杂质量显著减少,能够获得纯相。电解质材料在室温下离子电导率最高为1.25×10~(-3) S·cm~(-1),电解质材料的致密度为92.6%,比使用Al~(3+)作为掺杂剂获得离子电导率更高,更致密。(2)在使用Mg~(2+)和Al~(3+)共掺杂时,在Na_(3.05+2x)Mg_xAl_(0.05)Si_(1.95-x)PO_(12)(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2)体系中,发现Mg~(2+)引入量为0.1时能够获得比较高的离子电导率和致密度,室温下离子电导率为1.78×10~(-3) S·cm~(-1),电解质材料的致密度为95.6%,比单独使用Mg作为掺杂剂获得的致密度更大,离子电导率更高,证明Mg~(2+)和Al~(3+)共同调节能够获得更适合Na~+通过的离子运输管道,离子电导率的提高为进一步发展全固态电池打下了良好的基础。在Na_(3.1+x)Al_xMg_(0.05)Si_(1.95-x)PO_(12)(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2)体系中,在Al~(3+)引入量为0.05时室温下离子电导率最高(1.16×10~(-3) S·cm~(-1))。对比两个体系,Mg~(2+)和Al~(3+)共同掺杂的条件下,Mg~(2+)对离子通道的调控更加明显,能够获得更加有利于Na~+通过的离子管道。(3)低熔点添加剂的选择能够在较低的温度烧结下获得高离子电导率,显著提高材料的致密度,选择Na_2B_4O_7作为烧结助剂,获得的电解质材料室温电导率最高能达到1.5×10~(-3) S·cm~(-1),电解质材料的致密度为95%。在Al~(3+)掺杂的基础上使用低熔点添加剂技术,不仅可以降低晶界阻抗,也可以改善晶粒阻抗。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM912
【部分图文】：

广东工业大学硕士学位论文比较成熟的化学储能技术主要有铅酸电池、镍镉镍氢电池、锂离子电池和学电源。图 1-1 给出目前主要电化学储能器件性能的比较，其中，可充）电池由于比容量高，循环稳定性好，以及自动化装配等优势，在工业认为是具有非常大应用前景的储能技术。从索尼公司在 1990 年开始商业经 30 年时间，锂电池已经应用在各种样式的电子产品中，更是在移动消占据主要地位。今年来，特斯拉将锂电池应用在电动汽车方面更是极大池在储能方面的应用[6]。

第一章 绪论量大（地壳中钠含量约为 2.75%，而锂含量约为 0.065%）、区域广泛（图 1-2 给出全球锂资源分布比例）。由于锂离子电池制备和加，在钠离子电池的制备和加工过程中，可以借鉴和使用其相应的设备和离子电池的开发和生产成本将大大的降低，钠离子电池也在规模化储能很大的应用前景[10]。

钠离子全固态电池的结构类似于现在商用的锂离子电池，该类型的电池采用以正负极材料和固体电解质组装，其充放电原理与液态二次电池相似，是一种能够在室温下工作的储能设备。图 1-3（a）给出了固态电池的工作原理。由于全固态电池使用固体的电解质代替有机的液态电解质，有效的降低了电池的漏液、爆炸等风险。钠离子全固态电池在充电过程中，正极表面发生氧化反应，生成的钠离子穿过固体电解质嵌入负极的层状结构，同时等当量的电子从外电路到达负极进行电荷补偿，从而达到电荷平衡，负极的层状结构处于富钠状态。负极存储的钠离子数量越多，充电量也就越多。放电时则正好相反，负极的富钠从层状结构脱嵌经过固态电解质嵌入正极，正极发生还原反应消耗钠离子[12]，电子从外电路经过电子设备达到正极，形成电流，设备顺利工作。由于全固态电池简化了电池结构，减少了电解液和隔膜等结构，且电池组装可以在空气氛围下进行封装，这样就降低了电池的生产成本，能够产生更大的商业利益[13]。
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本文编号：2878350